一种原子钟系统的碱金属腔体制备技术

　　0　引　言

　　众所周知,时间(频率)是最基本的7个物理量之一,复现精度最高^{[1, 2]。}而对于时间的精确计量在导航定位、通信、导弹和卫星控制以及物理测量方面起着至关重要的作用^[3]。目前最为精确的计时工具之一即为原子钟。而应用相干布局数囚禁(coherent population trapping, CPT)现象的原子钟由于不需要使用微波谐振腔,成为原子钟微型化的研究方向^[4~7]。

　　由于CPT原子钟主要利用碱金属原子超精细能级与外部微波频率之间的相干耦合来实现频率的稳定,因而,作为原子钟系统之一的碱金属腔体的制作就显得尤为重要。

　　本文将通过对碱金属腔体制备技术的简要论述,给出一种碱金属腔体制备与流程,并给出测试结果。

　　1　碱金属腔体制备技术

　　1.1　碱金属腔体制作方法

　　由于所制作碱金属腔体为原子钟所用,故腔体制作必须满足原子钟使用要求。首先,腔体必须能够使激光透射(对Rb腔为795 nm;对Cs腔为780 nm);第二,由于其中需要封放碱金属,而碱金属会与空气发生反应,故腔体必须满足气密性要求;第三,由于原子钟使用过程中,需要腔体有一定的蒸汽压,即腔体在使用过程中需要进行加热,故腔体必须能够承受一定的温度。基于此,在碱金属腔体制作方面,有如下两大腔体制作技术。

　　1)采用玻璃气泡技术制作腔体^{[8, 9]}

　　这种方法有2种形式,一种采用类似于灯泡的制作,将玻璃在真空隋性气氛下加温吹制成泡,并在其中加入碱金属,然后封制而成。另一种方式则是采用中空玻璃管在真空隋性气氛下进行C^_O2激光烧制密封。前者由于对玻璃缺乏良好的可控性,制成的腔体形状一般都不规则。而后者虽可以制成管状腔体,但由于受到玻璃预定形状的限制,对于其他形状的腔体则很难制作。更重要的是这种方式制成的腔体都无法与原子钟的光路部件,如四分之一玻片、透镜等进行集成,在进一步的小型化上受到限制。

　　2)采用阳极键合进行腔体制作^[10~12]

　　随着MEMS技术的进展,人们已可以实现玻璃与硅之间的键合。键合的气密性已得到证实。于是,在原子钟腔体制作方面,为满足前述条件,出现了采用阳极键合形式进行腔体制作的技术,即对双面抛光硅片进行掩模刻蚀,实现硅孔的制作,然后再对硅进行双面硅与玻璃的键合。采用这种键合方式制作的腔体,不仅可以实现与光路部件的集成,而且可以通过刻蚀(如湿法刻蚀和等离子干法刻蚀等)技术制作超微型腔体,实现原子钟的微型化。

　　1.2　碱金属腔体的实现